СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (РЕГУЛИРОВАНИЯ)

1.Основные понятия и определения.

    Системы управления современными технологическими процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону.
   Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются
параметрами технологического процесса
. Например, параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д.
  
Параметр технологического процесса
, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется
регулируемым параметром
или
регулируемой величиной
.

    Для контроля этих величин необходимо вести измерения непрерывно. Результаты измерений сравниваются с требуемыми значениями контролируемого параметра, а если имеются отклонения, то подается сигнал об отклонении. Отклонения могут быть либо положительными, либо отрицательными. По отклонениям принимается решение, и сигнал подается на объект управления.
    Под
управлением
понимают такую организацию процесса, которая обеспечивает заданный характер протекания процесса. При этом сам процесс (совокупность технических средств – машин, орудий труда, то есть исполнителей конкретного процесса) – с точки зрения управления, является
объектом управления (ОУ)
. Существует также и другое определение ОУ – объект, в котором протекает регулируемый процесс.
   
Автоматическое управление
- это осуществление какого-либо процесса с помощью соответствующих систем автоматики без непосредственного участия человека, но под его контролем. Если автоматическое управление призвано обеспечить изменение (поддержание) управляемой величины по заданному закону, то такое автоматическое управление называют
автоматическим регулированием
.
    Условно систему автоматического регулирования можно разделить на два основных элемента:
регулятор
и
объект управления (ОУ)
    Регулятор (Р)
- комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону.
    Входное воздействие (Хзадан)
– воздействие, подаваемое на вход системы или устройства, и определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины
   Управляющее воздействие (m)
– воздействие управляющего устройства на объект управления.
   Выходное воздействие (Yвых)
– воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.
   Возмущающее воздействие (f)
– воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.
   Ошибка регулирования (e = хзадан – увых)
– разность между предписанным
(хзадан)
и действительным (увых) значениями регулируемой величины
    Дополнительная связь в структурной схеме САР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется
обратной связью (ОС).

  
Обратная связь
– воздействие результатов функционирования какой-либо системы (устройства) на характер дальнейшего функционирования этой же системы или управляемого процесса на управляющий орган. Обратная связь может быть отрицательной или положительной.
  
Отрицательная обратная связь
– обратная связь, которая при отклонении объекта от равновесия вызывает нейтрализацию данного отклонения.
  
Положительная обратная связь
– обратная связь, которая способствует переходу в другое равновесное состояние.
  
Сигнал обратной связи
– сигнал, поступающий с выхода САР по цепи обратной цепи на ее вход для сравнения с задающим воздействием и определения рассогласования, с учетом которого производится соответствующее регулирование.

2.Классификация систем автоматического управления.

Совокупность автоматического управляющего устройства и объекта управления, связанных и взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления, называют
системой автоматического управления (САУ).

    Сложность современных автоматических систем не позволяет их однозначную классификацию, так как ряд классификационных признаков оказывается присущим САР различных типов.

Классифицировать системы автоматического управления можно по методу управления и функциональному признаку
. По методу управления все системы делятся на два больших класса:
обыкновенные (несамонастраивающиеся)
и
самонастраивающиеся (адаптивные)
.

Обыкновенные системы, относящиеся к категории простых, не изменяют своей структуры в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко применяются в литейных и термических цехах. Обыкновенные системы автоматического управления подразделяют на три подкласса:
разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы управления
.

1)  САР по цепи передачи сигналов бывают
разомкнутыми
(а) или
замкнутыми
(б)
В замкнутых САР в процессе функционирования непрерывно или через определенные промежутки времени на суммирующее устройство поступают сигналы, определяющие величину регулируемого параметра, а в разомкнутых САР такая информация отсутствует.

2) По характеру управляющего воздействия системы подразделяются на:

- системы автоматической стабилизации (САС);
- системы программного управления (СПУ);
- следящие системы (СС).

В
САС
управляющее (входное) воздействие не изменяется во времени, т.е.
xвх =const
. Такая система отрабатывает возникающие отклонения регулируемой величины от заданного.
В
СПУ
управляющее (входное) воздействие изменяется во времени по заданному закону. Такие СПУ применяются для управления процессами, характер протекания которых известен.
В
СС
характер изменения управляющего воздействия, определяемый процессами, происходящими вне системы, не может быть определен. Следящие системы используются для отработки возмущений, характер которых неизвестен заранее.

3) По виду регулируемого параметра:

- САР температур;
- САР уровня;
- САР давления и т.д.

4)По способу воздействия измерительного элемента на регулирующий элемент:

- САР прямого действия;



САР уровня воды в баке прямого действия.
1-бак (регулируемый объект);
2-поплавок (измерительный элемент);
3-заслонка (регулирующий элемент);
4-задатчик;
H-высота уровня воды (регулируемый параметр);
Q1-приток воды в бак;
Q2-расход воды из бака

- САР непрямого действия.



САР уровня воды в баке непрямого действия.
1-бак (регулируемый объект);
2-поплавок (измерительный элемент);
3-потенциометр (преобразующий элемент);
4-э/двигатель (исполнительный элемент);
5-заслонка (регулирующий элемент);
6-задатчик

5)  По источнику энергии:
-электрические;
-пневматические;
-гидравлические и т.д.

6)  По принципу регулирования:
-по отклонению;
-по возмущению;
-комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР.
7) По числу обратных связей САР подразделяются на
одноконтурные
и
многоконтурные
.
Одноконтурные
САР имеют одну обратную связь – жесткую, главную отрицательную обратную связь, охватывающую всю систему от входа до выхода.
Многоконтурные
системы помимо главной жесткой отрицательной обратной связи имеют еще одну или более местные обратные связи, как жесткие, так и гибкие, как отрицательные, так и положительные, охватывающие часть системы.

8) По величине ошибки в установившемся состоянии САР подразделяются на
статические
и
астатические
:
В
статических САР
в установившихся режимах имеет место отклонение регулируемой величины от заданного значения.

В системах
статического регулирования
характерно, что различным установившимся значениям внешних возмущающих воздействий на регулируемый объект соответствуют различные установившиеся значения регулируемого параметра или, иначе говоря,
равновесие системы при статическом регулировании имеет место при различных значениях регулируемого параметра, лежащих в заданных заранее пределах.
Характеристика статического регулирования имеет вид
x=x0 +KQ
Астатическими называют САР
, обеспечивающими регулирование без статической ошибки.
В астатических САР различным установившимся значениям внешних возмущающих воздействий на регулируемый объект соответствует постоянное значение регулируемого параметра, равное заданному значению, или, иначе говоря,
равновесие системы имеет место при единственном заданном значении регулируемого параметра.
Регулирующий элемент в конце процесса регулирования может находиться в любом положении, обеспечивающим равновесие системы регулирования.
Астатические САР
более точно поддерживают заданное значение регулируемого параметра, но по сравнению с системами статического регулирования имеют более сложное конструктивное исполнение.

9) По характеру математического описания статистических и динамических режимов САР подразделяются на
линейные
и
нелинейные
:
Линейные САР
описываются в статике линейными алгебраическими уравнениями, а в динамике – линейными дифференциальными уравнениями. Один из характерных признаков линейных САР – проявление принципа суперпозиции, заключающийся в том, что реакция линейной системы на несколько воздействий равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности.
Нелинейные САР
описываются нелинейными уравнениями. Реальные системы относятся к типу нелинейных, однако теория линейных систем в значительной степени создает предпосылки для разработки теории нелинейных САР.

10) По
характеру
связи между входной и выходной величинами САР подразделяется на
непрерывные
и
прерывистые
(
дискретные, импульсные и релейные
).
В
непрерывных САР
между выходными и входными величинами существует непрерывная функциональная зависимость.
В
прерывистых САР
непрерывному изменению регулируемого параметра соответствует выходная величина в виде:
- последовательности импульсов, амплитуды, длительности и частоты повторений, которые зависят от  значения входной величины и характера импульсного элемента;
- скачкообразного сигнала, который появляется лишь при определенных значениях входной величины.


11)  По
числу регулируемых переменных САР
подразделяются на
одномерные
(с одной регулируемой величиной) и
многомерные
(с несколькими регулируемыми величинами).
   
Многомерные САР
подразделяются на системы
несвязанного
и
связанного
регулирования. В многомерных системах несвязанного регулирования различные регулируемые величины не имеют взаимной связи. В многомерных системах связанного регулирования регуляторы различных переменных взаимосвязаны между собой и через общий объект регулирования. Примером многомерной САР может служить САР работы парового котла, в которой осуществляется регулирование подачи воды, топлива и воздуха в форсунки.

12) По назначению системы:
- системы с поиском экстремума показателя качества;
- системы оптимального управления;
- адаптивные системы;

3. Законы регулирования.

    Законом регулирования называют математическую зависимость, согласно которой сигнал е, пропорциональный ошибке в следящих системах и системах программного регулирования или отклонению регулируемой величины от заданного значения в системах стабилизации, преобразуется в управляющее воздействие μ.
В технике используют довольно много различных законов регулирования, которые тесно связаны с конструкцией управляющего устройства, и одним из распространенных видов классификации регуляторов является классификация по законам управления.

Что такое пид-регулятор

Как следует из названия, в этой статье мы дадим точное представление о структуре и работе ПИД-контроллера. Однако сначала, давайте познакомимся с ПИД-контроллерами.

ПИД-регуляторы
находятся в широком диапазоне применений для управления промышленными процессами. Приблизительно 95% операций с замкнутым контуром в промышленной автоматизации используют ПИД-регуляторы. PID обозначает Пропорционально-интегральная-диференциальная составляющая. Эти три контроллера объединены таким образом, что он создает управляющий сигнал.
В качестве контроллера обратной связи он обеспечивает выход управления на желаемых уровнях. ПИД-регулирование осуществлялось с помощью аналоговых электронных компонентов, перед изобретением микропроцессоров.

Но сегодня все ПИД-контроллеры обрабатываются микропроцессорами. Программируемые логические контроллеры также имеют встроенные настройки ПИД-регулятора.

Благодаря гибкости и надежности ПИД-регуляторов, они традиционно используются в системах управления технологическим процессом.

Работа ПИД-регулятора

Видео о PID регуляторе простым языком
(что такое ПИДы)
При использовании недорогого простого контроллера возможны только два состояния управления, например, полностью ВКЛ или полностью ВЫКЛ. Он используется для настроек с ограничением контроля, в котором эти два состояния управления достаточно для целей управления. Однако характер этого контроля ограничивает его использование и, следовательно, заменяется ПИД-контроллерами.

ПИД-регулятор поддерживает выход таким образом, что между переменной процесса и заданной точкой / желаемым выходом с помощью операций замкнутого контура имеется нулевая ошибка. ПИД использует три основных поведения управления, которые объясняются ниже.

П-контроллер:

Пропорциональный
или
П-регулятор
дает выход, который пропорционален текущей ошибке
e (t).
Он сравнивает желаемую или заданную точку с фактическим значением или значением процесса обратной связи. Полученная ошибка умножается на пропорциональную константу, чтобы получить выход. Если значение ошибки равно нулю, то выход этого контроллера равен нулю.
Этот контроллер требует смещения или ручной сброс при использовании отдельно. Это происходит потому, что он никогда не достигает состояния устойчивого состояния. Он обеспечивает стабильную работу, но всегда поддерживает постоянную ошибку. Скорость реакции возрастает при увеличении пропорциональной константы
.